DE2604974A1 - Chemisches und radiolytisches mehrstufenverfahren zur herstellung von gas - Google Patents

Chemisches und radiolytisches mehrstufenverfahren zur herstellung von gas

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DE2604974A1 DE19762604974 DE2604974A DE2604974A1 DE 2604974 A1 DE2604974 A1 DE 2604974A1 DE 19762604974 DE19762604974 DE 19762604974 DE 2604974 A DE2604974 A DE 2604974A DE 2604974 A1 DE2604974 A1 DE 2604974A1
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    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR
PATENTANWÄLTE
8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 02 45 2 ß 0 Λ 9 7 A
Anwaltsakte: 26 805 9, FEB. 1976
Texas Gas Transmission Corporation, Owensboro, Kentucky 42301 / USA
Chemisches und radiolytisches Mehrstufenverfahren zur Herstellung von Gas.
Die Erfindung betrifft ein chemisches und radiolytisches Mehrstufenverfahren, das radiolytische und chemische Reaktionen in bestimmter Folge umfaßt und ein Endprodukt, insbesondere ein Gas, wie Wasserstoff und Sauerstoff, liefert.
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« (089) 98 8272 8 München 80, MauerkircherstraBe 45 Banken: Bayerische Vereinsbank München 453100
98 70 43 Telegramme: BERGSTAPFPATENT München Hypo-Bank München 389 2623
983310 TELEX: 0524560 BERG d Postscheck München 65343-808
Derzeit werden große Forschungsanstrengungen auf dem Gebiet der Zündung und des Verbrennens von Fusionsbrennstoff, beispielsweise Deuterium-Tritium in Form von Pellets, •durchgeführt. Die untersuchten Forschungsgebiete befassen sich mit den verschiedenen Formen der Pellets oder der Brennstoffgestalt zur Erzielung einer optimalen Zündung und eines optimalen Brennvorgangs, sowie die Anwendung eines Lasers als Quelle für die Zündungsenergie. US-Patentschriften, die sich ganz allgemein mit den hierfür zu verwendenden Vorrichtungen befassen, sind die US-Patentschriften 3 378 446, 3 489 645, 3 624 239 und 3 762 992. Das Gebiet wird auch genauer in einem Artikel von J.L.Emmett et al mit dem Titel "Fusion Power by Laser Implosion", Scientific American, Vol. 230, Nr. 6, Juni 1974, Seiten 24-37, im. Detail beschrieben.
Es ist bislang vorgeschlagen worden, die Strahlungsenergie in der zentralen Reaktionskammer eines thermonuklearen Reaktors dazu zu verwenden, Wasser in einer Stufe in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Dies wird genauer in der US-Patentanmeldung Serial No. 414 369 vom 4. November 1973 (Theodor Teichmann) beschrieben. Bei diesem System wird ein geeignetes Dampfvolumen vor der Entzündung des Brennstoff-Pellets in die zentrale Reaktionskammer eingeführt.· Durch die Zündung und das Verbrennen des Pellets bzw. des Brennstoffkörnchens oder
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-kügelchens werden die Wassermoleküle in reinen Wasserstoff und reinen Sauerstoff aufgespalten, die jeweils so hohe molekulare Geschwindigkeiten aufweisen, daß die reinen Produkte aus der Kammer austreten können. Die Produkte können dann getrennt und aufgefangen werden. Jedoch ist der Rekombinationskoeffizient von reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff bei der erhöhten Temperatur der Reaktionskammer relativ hoch, so daß die Gesamtausbeute des angegebenen Systems relativ niedrig ist, wenngleich die genannte Patentanmeldung ein arbeitsfähiges System zur Herstellung von reinem Wasserstoff offenbart. Weiterhin ist es erwünscht und in der Tat für ein sicheres und wirtschaftliches Fusionssystem notwendig, daß man aus den Abgasen der Reaktionskammer das nicht-verbrauchte Tritium zurückgewinnt. Die Abtrennung des restlichen Tritiums von dem in den Kammerabgasen enthaltenen reinen Wasserstoff ist relativ schwierig, da die Produkte ein ähnliches Molekulargewicht besitzen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein sicheres, wirtschaftliches und wirksames Verfahren zur Bildung reiner Gasprodukte mit Hilfe einer radiolytischen Reaktion zu schaffen, mit dem man insbesondere reinen Wasserstoff und reinen Sauerstoff durch die Dissoziation von Wasser mit im Vergleich zu herkömmlichen radiolytischen Systemen erhöhter Ausbeute gewinnen kann und gleichzeitig
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die Wandung der Reaktionskammer von den schädlichen Effekten schützen kann, die während der Zündung und des Verbrennens des Brennstoffpellets durch die Bestrahlung mit den geladenen Teilchen und durch die Röntgenstrahlung sich ergeben.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man
a) Kohlendioxid in die zentrale Reaktionskammer eines Fusionsreaktors einführt,
b) in der Kammer eine Fusionsreaktion verursacht, so daß das Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff gespalten wird,
c) das in der Stufe b gebildete Kohlenmonoxid mit Wasser zu Kohlendioxid und reinem Wasserstoff umsetzt und
d) den in der Stufe c gebildeten Wasserstoff auffängt.
Erfindungsgemäß wird somit ein äußerst strahlungsempfindliches Gas, wie Kohlendioxid, direkt in die Reaktionskammer eines Fusionsreaktors eingeführt und dort während des Verbrennens des Fusionsbrennstoffs molekular zu Kohlenmonoxid und reinem Sauerstoff gespalten. Das Kohlenmonoxid wird dann bei erhöhter Temperatur mit Dampf vermischt, wobei sich Kohlendioxid und reiner
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Wasserstoff bilden. Das Kohlendioxid wird in den Kreislauf zurückgeführt und in die zentrale Reaktionskammer eingeführt, so daß sich ein Kreisverfahren zur Herstellung von reinem Wasserstoff und reinem Sauerstoff aus Wasser ergibt.
Weitere Ausführungsformen, Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Diese Zeichnungen zeigen
in Fig. 1 ein" Blockdiagramm eines Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
in Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Durchführung eines modifizierten Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das in Fig. 1 dargestellt ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird anstelle von Dampf reines Kohlendioxid in die zentrale Reaktionskammer eines thermonuklearen Reaktors eingeführt. Wenn man das reine Kohlendioxid während des Abbrennens des Brennstoff-Pellets der Strahlung aussetzt, so erhält man Kohlenmonoxid und reinen Sauerstoff. Während man den Sauerstoff aus der Abgasleitung der Reaktionskammer abtrennen und gewinnen kann, wird das Kohlenmonoxid abgetrennt und dann mit Wasser unter Bildung von reinem
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Wasserstoff und wiedergebildetem Kohlendioxid umgesetzt. Es ist ersichtlich, daß das wiedergebildete Kohlendioxid gesammelt und erneut in die Reaktionskammer eingeführt werden kann, so daß das gesamte Kreislaufsystem reinen Wasserstoff und reinen Sauerstoff aus Wasser bildet.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem in der obengenannten Patentanmeldung angegebenen ist ohne weiteres aus einem Vergleich der zusammengesetzten Ausbeute oder des "G"-Faktors der im folgenden angegebenen beiden radiolytisehen und/oder chemischen Verfahren ersichtlich:
2H2O + Strahlung > 2H2 + O2 (G = 0,5) (1)
2CO2 + Strahlung -> 2C0 + O2 (G = 10) (2)
CO + H2O + Wärme -> CO2 + H2
worin G für die Anzahl der Produktmoleküle pro 100 Elektronenvolt der absorbierten Strahlungsenergie steht. Der gesteigerte Wirkungsgrad des letzteren Verfahrens ist zum großen Teil eine Folge des relativ geringen Rekombinationskoeffizienten von Kohlenmonoxid und Sauerstoff bei der erhöhten Temperatur der Reaktionskammer. Beispielsweise beträgt der Rekombinationskoeffizxent von Kohlenmonoxid und Sauerstoff bei einer Kammertemperatur von 350O0K lediglich 1/4 desjenigen von reinem Wasser-
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stoff und Sauerstoff bei der gleichen Temperatur. Es ist ersichtlich, daß die für die Umsetzung von Kohlenmonoxid mit Wasser unter Bildung von Kohlendioxid und reinem Wasserstoff erforderliche Wärme durch eine geeignete Wärmeübertragung von der erhitzten Reaktionskammer zugeführt werden kann.
Weiterhin ist ersichtlich, daß die bei dem Verfahren 1 gebildeten Abgase der Reaktionskammer reinen Wasserstoff enthalten, der schwierig von dem restlichen Tritium abzutrennen ist, während die Kammerabgase bei dem Verfahren 2 Kohlenmonoxid und Sauerstoff enthalten, die Molekulargewichte aufweisen, die größer als das von Tritium sind, so daß das in dem Abgasstrom enthaltene unverbrannte Tritium ohne weiteres aufgefangen und unter Bildung von zusätzlichen Brennstoff-Pellets erneut in das System eingeführt werden kann. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, da die Rückgewinnung von Tritium für ein sicheres und wirtschaftliches Fusionssystem von wesentlicher Bedeutung ist.
Das Verfahren 2 besitzt einen weiteren Vorteil gegenüber dem Verfahren 1 dadurch, daß die bei dem Verfahren 2 in die Reaktionskammer eingeführten Kohlendioxidmoleküle wesentlich schwerer als die entsprechenden
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Wassermoleküle des Verfahrens 1 sind, und daher einen wirksameren Schutz der Wände der Reaktionskammer gegen die schädlichen Effekte der Bombardierung mit geladenen Teilchen und Röntgenstrahlen ergeben. Somit führt das· erfindungsgemäße Verfahren zu einer wesentlichen Verlängerung der Betriebslebensdauer der zentralen Reaktion skammer .
In der Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines radiolytischen/ chemischen Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 2 angegeben, über die Leitung 10 wird reines Kohlendioxid in die zentrale Reaktionskammer 12 eines Fusionsreaktors der Art eingeführt, wie er in den oben angegebenen US-Patentschriften beschrieben ist. In der Kammer 12 wird das Kohlendioxid während des Brennzyklus des Kernbrennstoff-Pellets mit Röntgenstrahlen und Teilchen bombardiert, so daß die aus der Kammer 12 austretenden Abbrandgase Kohlenmonoxid und reinen Sauerstoff enthalten. Der Sauerstoff kann über die Leitung abgetrennt und aufgefangen werden. Geeignete Einrichtungen zur Abtrennung der Gase aus den Abgasen eines Kernreaktors sind beispielsweise in den US-Patentschriften 3 406 496 und 3 699 218 beschrieben. Das Kohlenmonoxid wird in ähnlicher Weise abgetrennt und dann über die Leitung 16 in eine zweite Kammer 18 eingeführt, die so ausgelegt ist, daß sie über die Einrichtung 20 Wärme
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aus der Reaktionskaitimer 12 aufnehmen kann. Gleichzeitig wird Wasser in Form von Dampf über die Leitung 22 in die Kammer 18 eingeführt, wo das Kohlenmonoxid mit dem Wasser unter Bildung von Kohlendioxid und reinem Wasserstoff reagiert. Der Wasserstoff kann über die Leitung abgetrennt und aufgefangen werden, während das Kohlendioxid über die Leitung 10 in die Reaktionskammer 12 zurückgeführt wird. Es ist ersichtlich, daß die Wärmemenge, die notwendig ist, um das Wasser vor der Einführung über die Leitung 22 in die Kammer 18 vom flüssigen Zustand in den Dampfzustand zu überführen, dadurch zugeführt werden kann, daß man das Wasser in einer solchen Nähe an der zentralen Reaktionskammer 12 vorbeiführt, daß eine Wärmeübertragung möglich ist.
Ein zweites modifiziertes System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Form eines Blockdiagramms in der Fig. 2 dargestellt, in der die den Elementen der Fig. 1 entsprechenden Elemente durch entsprechende Bezugsziffern gekennzeichnet sind. Das System der Fig. 2 kombiniert das erfindungsgemäße Verfahren 2 mit dem Verfahren, das in der US-Patentanmeldung Serial No. 417 000 vom 19.November 1973 (Henry J.Gomberg) beschrieben ist, so daß man ein radiolytisch/ chemisches System mit einem gesteigerten Gasbildungswirkungsgrad erhält. Dieser erhöhte Wirkungsgrad wird
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dadurch erreicht, daß man die Strahlungsenergie des Brennstoff-Brennprozesses dazu verwendet, Kohlendioxid in der zentralen Reaktionskammer in Kohlenmonoxid und Sauerstoff zu spalten, wie es oben genauer unter Bezugnahme auf die Fig. 1 erläutert wurde, und die Strahlungsenergie, die in Form von freien Neutronen aus der zentralen Kammer austritt, dazu verwendet, Kohlendioxid in einer zweiten, peripher zu der zentralen Reaktionskammer angeordneten Kammer für die radiolytische Reaktion zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff zu spalten.
Somit wird nach dem in Fig. 2 gezeigten System Kohlendioxid über die Leitung 10 in eine zentrale Reaktionskammer 12 eingeführt und dort während des Abbrennens der Brennstoff-Pellets einer intensiven Strahlung ausgesetzt. Der gebildete freie Sauerstoff und das gebildete Kohlenmonoxid werden in gleicher Weise, wie es oben bezüglich der Fig. 1 erläutert wurde, über die Leitungen 14 und abgeführt. Unterdessen wird Strahlung in Form von hochenergetischen Neutronen über die Einrichtung 28 von der Kammer 12 in eine zweite periphere Radiolysekammer 30 eingeführt, in die über die Leitung 32 Kohlendioxid eingeführt wird. Das aus der Kammer 30 austretende Gas umfaß reinen Sauerstoff, der über die Leitung 34 abgetrennt und aufgefangen wird, und Kohlenmonoxid, das über die Leitung 36 in die Kammer 18 eingeführt wird. Die Kammer
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18 wird somit über zwei Quellen mit Kohlenmonoxid versorgt, nämlich über die zentrale Kammer 12 und die periphere Kammer 30. Somit kann die Kammer 18 über die Leitung 38 mit einer erhöhten Dampfmenge versorgt werden, wodurch Wasserstoff und Kohlendioxid gebildet werden, die über die Leitungen 40 bzw. 42 abgezogen werden. Das Kohlendioxid kann über die Leitungen 10 und 32 in die Kammern 12 und 30 zurückgeführt werden. Es ist ersichtlich, daß das in der Fig. 2 dargestellte System sowohl die innere als auch die austretende thermische und Strahlungsenergie der zentralen Reaktionskammer ausnutzt und eine erhöhte Menge von reinem Wasserstoff und reinem Sauerstoff im Vergleich zu dem in Fig. 1 dargestellten System liefert, und dies lediglich unter Einsatz einer größeren Wassermenge.
Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße radiolytische und chemische Mehrstufenverfahren dazu in der Lage ist, die oben gestellte Aufgabe zu lösen und eine erhebliche Bereicherung der Technik darstellt.
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Claims (13)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, daß man
    a) Kohlendioxid in die zentrale Reaktionskammer eines Fusionsreaktors einführt,
    b) in der Kammer eine Fusionsreaktion verursacht,
    so daß das Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff gespalten wird,
    c) das in der Stufe b gebildete Kohlenmonoxid mit Wasser zu Kohlendioxid und reinem Wasserstoff umsetzt und
    d) den in der Stufe c gebildeten Wasserstoff auffängt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennz eichnet, daß man als zusätzliche Stufe e das in der Stufe c gebildete Kohlendioxid auffängt und erneut in der Stufe a in die zentrale Reaktionskammer einführt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2,dadurch g e kennz eichnet, daß man als zusätzliche Stufe f den in der Stufe b gebildeten Sauerstoff auffängt und gewinnt.
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  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennz eichnet, daß man bei der Stufe c die Wärme ausnutzt, die durch die Fusionsreaktion in der Reaktionskammer freigesetzt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 2,d adurch gekennzeichnet, daß man vor der Durchführung der Stufe c das Wasser von dem flüssigen Zustand in den Dampfzustand überführt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wasser mindestens zum Teil dadurch in den Dampfzustand überführt, daß man die durch die Fusionsreaktion in der Reaktionskammer freigesetzte Wärme ausnutzt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als zusätzliche Verfahrensschritte
    g) Kohlendioxid der aus der zentralen Reaktionskammer austretenden hochenergetischen Neutronenstrahlung unter Bildung von Kohlenmonoxid und Sauerstoff aussetzt,
    h) das in der Stufe g gebildete Kohlenmonoxid mit Wasser unter Bildung von Kohlendioxid und Wasserstoff umsetzt und
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    i) den in der Stufe h gebildeten Wasserstoff auffängt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als zusätzlichen Verfahrensschritt
    j) das in der Stufe h gebildete Kohlendioxid auffängt und, wie in der Stufe g beschrieben, der hochenergetischen Neutronenstrahlung aussetzt.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß man als zusätzliche Stufe k den in der Stufe g gebildeten Sauerstoff auffängt.
  10. 10. Radiolytisches Verfahren zur Herstellung von Gas, dadurch gekennzeichnet, daß man a) Kohlendioxid in die zentrale Reaktionskammer eines thermonuklearen Reaktors einführt,
    b) in der Kammer eine Fusionsreaktion verursacht, so daß das Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff gespalten wird,
    c) die Reaktionskammer entlüftet und
    d) das Kohlenmonoxid von dem Sauerstoff abtrennt.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man als zusätzlichen Verfahrensschritt
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    e) das Kohlenmonoxid mit Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff umsetzt und
    f) das Kohlendioxid von dem Wasserstoff abtrennt.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e kennz eichnet, daß man als zusätzlichen Verfahrensschritt
    g) das in der Stufe f gebildete Kohlendioxid auffängt und, wie in Stufe a gezeigt, in die Kammer einführt.
  13. 13. Verfahren zum Schutz der Wandungen einer zentralen Fusionsreaktionskainmer gegen das Bombardieren mit Röntgenstrahlen und geladenen Teilchen während einer thermonuklearen Reaktion, dadurch gekennzeichnet, daß man
    a) Kohlendioxid in die zentrale Reaktionskammer einführt,
    b) die Fusionsreaktion durchführt, so daß ein Hauptteil der bei der Reaktion freigesetzten Röntgenenergie und Energie der geladenen Teilchen dadurch absorbiert wird, daß Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff gespalten wird und
    c) die zentrale Reaktionskammer entlüftet.
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